已經能使用光纖系統實現飛秒雷射，例如Yb摻雜的光纖飛秒雷射能產出脈衝寬度小於100 fs，其中心波為1040 nm，具有商業應用價值，並且為重要的科學研究工具。然而，此類型飛秒雷射的脈衝特性較為複雜，較難正確的評估其脈衝寬度(pulse duration)，導致錯估了脈衝的峰值功率(peak power)。

我們透過分析脈衝雷射經過GaN薄膜產生的二倍頻光譜(second harmonic generation spectrum)，並且重構脈衝雷射光譜，以此了解如何正確的解析脈衝雷射的奇特光譜及非單一高斯脈衝波形。此分析方法能成為簡易且有效的分析工具，研究成果發表在Journal of Physics: Photonics. (2024 IF: 8.4)

Characterization of a femtosecond pulsed laser via analyzing the second harmonic generation in a III–V nitride semiconductor

在紫外光-可見光-近紅外光(UV-VIS-NIR)波段的電磁波(光子)可有效的與材料中的自由電子及束縛電子產生交互作用。光子與自由電子的交互作用可透過杜德模型(Drude Model)描述；光子與束縛電子的交互作用可透過勞倫茲模型(Lorentz Model)描述。透過電子的運動方程式，可推估出材料在UV-VIS-NIR波段的折射率曲線。

透過分析半導體材料的吸收邊帶可評估晶體的扭曲程度，此邊帶亦稱為Urbach Tail，透過指數衰減函數的曲線擬合可獲得Urbach Energy。通常，Urbach Energy越大代表晶格越扭曲。對於太陽能電池的吸收光材料，其Urbach Energy扮演重要的角色，越小的Urbach Energy對應越高的元件開路電壓(Open-Circuit Voltage)，因此能有較高的功率轉換效率(Power Conversion Efficiency)。

材料除了可以吸收光子之外，亦可以透過激子輻射再復合(Exciton Radiative Recombination)放射出光子，對於半導體材料(Semiconductor Materials)而言，放光能隙(emission energy gap)決定光子能量(Photon Energy)。

高效率的太陽能電池包含陰極金屬層(Cathode Metal Layer)、電子傳遞層(Electron Transport Layer)、吸光層(Light Absorbing Layer)、電洞傳遞層(Hole Transport Layer)、透明導電陽極(Transparent Conductive Anode Layer)，太陽光從透明導電薄膜端入射後被吸光層吸收產生激子(Excitons)，此激子為束縛在一起的電子-電洞對(Electorn-Hole Pair)。

當激子束縛能(Exicton Binding Energy)大於室溫下的熱能(Thermal Energy)時，需要考慮激子擴散距離(Exciton Diffusion Length)。通常，激子擴散距離需要長於吸光材料層的厚度，才能夠讓激子在介面產生解離(Dissociation)後形成自由電子及自由電洞，始能產生光伏效應。

當激子束縛能小於室溫下的熱能時，部分的激子可以透過自解離(Self-Dissociation)在吸光材料內產生自由電子及自由電洞，自由電子及自由電洞需各自被電子傳遞層及電洞傳遞層接收至外線路，始能產生光伏效應。

ODSOS Lab主要研究反式結構的鈣鈦礦太陽能電池，達到的最高功率轉換效率約為21.9%。相關發表文章：

1. Effects of drying time on the formation of merged and soft MAPbI3 grains and their photovoltaic responses (Nanoscale Advances)

2. Stable and efficient soft perovskite crystalline film based solar cells prepared with a facile encapsulation method (Nanoscale)

3. Highly efficient and stable P3CT-Na based MAPbI3 solar cells with a Sn-rich ITO anode (Sol. Energy Mater. Sol. Cells)

寬能隙半導體可應用於發光元件及高功率/高速電子元件。目前產業界將氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)及三氧化二鋁(Aluminum Oxide)視為重要的寬能隙半導體材料，但是礙於晶體內缺陷的生成，限制了高功率及高速電子元件的實際使用。以GaN為例，已經利用GaN為基材做為藍光發光二極體，並且也廣泛的使用在照明及顯示方面的應用。為了能大面積的生產GaN基材晶圓，將GaN磊晶在大面積的矽晶圓是目前的產業趨勢，然而受限於GaN與Si兩晶體材料之間的晶格匹配及熱膨脹係數匹配不完美，導致需要使用緩衝層來減少缺陷，然而缺陷的分類尚需要引入準確且快速的方法，始能應用在產業界。

ODSOS Lab已經透過研究GaN on 6-inch Si wafer的光學性質，分辨出殘留應力及缺陷的分布。使用的方法包括反射光譜、螢光光譜、拉曼光譜及二倍頻強度影像。研究成果發表在Nanotechnology。

以MAPbI3:TiO2混合薄膜為電容的介電質，其未照太陽光及照射太陽光下的impedance spectra有顯著的差異，此差異顯示照光下的電容值提升，其主要原因是MAPbI3吸收光之後產生的電子注入至TiO2，因而提升了TiO2的介電常數。此研究以發表在Journal of Alloys and Compounds，論文題目為：Optically tunable dielectric response of TiO2:MAPbI3 nanocomposite thin films。

金屬的次波長結構或是奈米結構具備特殊的光譜性質，可透過改變結構設計出特定的吸收光譜(Absorbance Spectrum)或是控制光的旋性(Optical Chirality)，亦可應用在提升發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)的光萃取(Light Extraction)。

ODSOS Lab透過使用Rsfot FullWAVE軟體模擬材料的光學性質，可分析光波在奈米材料的近場分布(Near-Field Distribution)、遠場輻射強度佈圖(Far-Field Radiation Intensity Distribution)、穿透光譜、反射光譜及吸收光譜，已經用於分析及研究：

1. 耦合介電質球體提升GaN LED的光萃取效率。

2. 2字形金條狀結構的光學旋性。

3. 斜切角溝槽狀電漿子波導的傳輸特性。

摻鉺光纖已經被應用在光纖陀螺儀做為寬頻光源。當應用在衛星導航時，外太空的高能輻射會降低摻鉺光纖的發光效率，導致衛星失去導航能力而墜落至地球表面。透過上反轉(Up-conversion)過程，可以修復摻鉺光纖的輸出功率，尤其是使用飛秒脈衝，選定最佳的上反轉波長，能在短時間完全修復受高能輻射損壞的摻鉺光纖。此項研究發表了兩篇論文及一個美國專利。